分离镜面反射分量的水稻冠层叶绿素含量反演模型研究

Leaf chlorophyll content is an important index to characterize the nutrition status, photosynthesis and physiological status of crops. Its dynamic change characteristics are of great significance for crop precision fertilization guiding. Recent studies on crop canopy chlorophyll content retrieval were mainly based on canopy bidirectional reflectance data, using physical modeling and empirical statistical modeling methods. Nevertheless, these researches hardly separated canopy specular reflection component that does not interact with biochemical components of leaves, when establishing models. Which could affect the accuracy of these models for canopy chlorophyll content retrieval. This project aims to separate the effect of specular reflection component on paddy rice canopy chlorophyll content retrieval through paddy rice field experiment and multi-angle polarized techniques, by combing data analysis and model building. The major research contents include: (1) to analyze the characteristics of multi-angular polarized reflectance of paddy rice canopy, and investigate the separation mechanism of paddy rice canopy specular reflection component; (2) to investigate the radiative processes of solar incident light within paddy rice canopy, to establish paddy rice canopy specular reflectance model, and validate its accuracy with separation results; (3) to derive paddy rice canopy bidirectional reflectance data with separation of specular reflection component through combining canopy specular reflectance model and measured data, and establish models for paddy rice canopy chlorophyll content retrieval with separation of specular reflection component, thereby increasing the retrieval accuracy of paddy rice canopy chlorophyll content. Results of this project could provide theoretical basis and technological support for chlorophyll retrieval.

叶绿素含量是表征作物长势营养状况、光合作用能力以及生理状况的重要指标。其动态变化特征对于生产上指导作物精准施肥意义重大。目前，基于冠层二向反射数据的作物冠层叶绿素含量反演研究鲜有分离作物冠层未与叶片生化组分相互作用的镜面反射分量，从而影响了作物冠层叶绿素反演模型精度。本项目通过水稻控制实验和多角度偏振探测技术，结合数据分析和模型构建，分离镜面反射分量对水稻冠层叶绿素含量反演的影响。研究内容包括：（1）分析水稻冠层多角度偏振反射特性，研究冠层镜面反射分量分离机理；（2）研究太阳入射光线在水稻冠层内辐射传输过程，构建水稻冠层镜面反射分量模型，结合分离结果验证模型精度；（3）结合镜面反射分量模型以及实测数据，得到分离镜面反射分量的水稻冠层二向反射率，构建分离镜面反射分量的水稻冠层叶绿素含量反演模型，提高水稻冠层叶绿素含量反演精度，为叶绿素反演研究提供理论基础和方法支撑。

镜面反射是植被叶片二向散射特性重要组成部分，主要来源于叶片角质、蜡质层和空气间的界面层。由于其未与叶片内生化组分相互作用而被观测传感器所记录。因此，基于观测传感器获取的反射光谱用于估算叶绿素含量需考虑镜面反射分量影响。本项目利用多角度观测以及偏振探测技术，以水稻和茶树为研究对象，获取叶片和冠层尺度多角度反射光谱，多角度偏振光谱，多角度多光谱以及对应理化参数等关键数据，结合数据分析和模型构建，研究了叶片及冠层反射光谱镜面反射分量的探测机理与方法，开展了水稻冠层偏振反射建模以及镜面反射分量特性分析，构建了分离镜面反射分量的作物冠层叶绿素反演模型，开展了多角度遥感作物冠层叶绿素含量角度效应分析，评估了多光谱遥感数据用于叶片叶绿素含量估算的可行性，研发了多光谱传感器，开展了适用于研发传感器的叶片叶绿素含量反演方法研究。研究结果包括：在叶片和冠层尺度下，多角度观测反射率镜面反射分量显著，偏振探测技术可用于镜面反射分量分离；水稻多角度偏振反射率数据可利用Nadal-Breon模型和Maignan模型模拟，从而得到镜面反射分量。400-1000nm波段范围内可见光波段模型模拟偏振反射率与实测多角度偏振反射率误差相比近红外波段模拟和实测误差较小；30°天观测顶角条件下分离镜面反射分量，植被指数方法估算叶片和冠层尺度叶绿素含量精度提升显著；观测天顶角、太阳天顶角以及叶倾角变化特征会影响多角度数据估算冠层叶绿素含量精度，在后向小角度观测条件下，角度效应对红边植被指数估算结果精度影响较小；多光谱数据可用于作物叶片叶绿素含量估算分析，宽波段植被指数和机器学习模型估算精度整体高于查找表法和混合反演方法；研发多光谱传感器可用于准确获取作物冠层反射率数据，观测数据可用于叶绿素含量精确估算。这些研究结果可为作物叶绿素遥感探测机理（包括传统垂直观测、多角度观测以及偏振观测等方式）提供一定理论基础，为改进叶绿素含量反演存在的问题提供一定方法支撑。